Coesione

I risultati ottenuti sono stati riportati in un grafico in cui si descrive l’andamento della coesione in funzione del rapporto ponderale liquido/solido. Il grafico in questione è rappresentato nella Figura sottostante.

Figura 3.1.: Andamento della coesione in funzione del rapporto ponderale liquido/solido.

Da un punto di vista generale, l’andamento delle curve relative ai diversi zuccheri risulta essere sostanzialmente simile ed è caratterizzato da un iniziale aumento del valore di coesione e dal successivo raggiungimento di un plateau. Anche i ballottini di vetro mostrano lo stesso comportamento che caratterizzano gli zuccheri.

Questo andamento potrebbe spiegarsi con il fatto che all’inizio si devono formare i ponti liquidi tra le particelle e ciò è responsabile dell’iniziale aumento della coesione. In seguito, dopo la formazione del ponte liquido, un’ulteriore aggiunta di acqua non modifica più il ponte stesso e si assiste così al raggiungimento di un plateau per la coesione senza nessuna variazione significativa nei valori.

In particolare, il mannitolo presenta valori di coesione molto bassi a causa della sua natura poco igroscopica. Piccole quantità di acqua non riescono quindi a modificare il suo comportamento con la conseguenza che i valori di coesione per questo zucchero saranno meno marcati.

Al contrario, lo xilitolo risulta essere più igroscopico e questa sua caratteristica è visibile nel valore di coesione che si ha a secco, nonostante l’essicazione in forno. Inoltre, questo comportamento igroscopico dello xilitolo permette di ottenere valori più alti di coesione nei casi a umido rispetto a zuccheri come mannitolo e sorbitolo.

Anche se viene applicata una pressione, i materiali granulari possiedono una certa rigidità e una capacità di shear quando tra i diversi granuli sono presenti acqua o

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 0,25 0,5 0,75 1

Coesi

o

n

e [kP

a]

L/S [%]

eventuali materiali sticky, ovvero appiccicosi. Questa iniziale resistenza allo shear è chiamata coesione del materiale granulare e determina, assieme all’angolo di attrito interno, la resistenza allo shear dei materiali granulari. La coesione dei materiali granulari dipende dalla quantità di granuli appiccicosi, dal contenuto di umidità e dal grado di compattazione. Inoltre, è dovuta alle forze di capillarità dovute all’acqua (Wu, A., 2008).

Quando aumentano il contenuto di umidità e la quantità di granuli appiccicosi, il materiale granulare tenderà a compattarsi e come risultato il valore della coesione aumenterà. Quindi, la coesione aumenta con l'incremento della percentuale di granuli appiccicosi e aumenta significativamente con il contenuto di umidità fino al raggiungimento di un plateau. Tuttavia, quando il contenuto di umidità supera un determinato valore, la coesione tende a diminuire. A seconda della percentuale di granuli appiccicosi, il limite di umidità varia tra 5%-11% (Wu, A., 2008).

I risultati sperimentali sono in linea con quanto trovato in letteratura. Ad un’iniziale aumento della coesione segue il raggiungimento di un plateau. Essendo la quantità di acqua aggiunta estremamente bassa non è possibile osservare la successiva diminuzione del valore della coesione.

Pertanto, è importante sottolineare anche come, attraverso informazioni basate sui raggi X, si è trovato che i quattro zuccheri utilizzati in condizioni asciutte sono nel loro stato cristallino. Oltre ad aumentare il valore della coesione, l'aggiunta di acqua è responsabile anche della cosiddetta stickiness degli zuccheri secondo il meccanismo basato sull’umidità.

La stickiness è stata definita come quella fase in cui si formano i ponti liquidi tra le particelle. Questi ponti liquidi possono essere costituiti da grassi fusi, materiali amorfi plastificati o soluzioni viscose concentrate. Due meccanismi principali per la stickiness sono stati identificati e possono svolgere un ruolo anche nell’agglomerazione delle polveri di zucchero: il caking amorfo (amorphous caking) e il caking basato sull’umidità (moisture driven caking).

Il caking amorfo è dovuto al fatto che la polvere viene esposta a condizioni tali per cui il materiale amorfo, inizialmente in uno stato vetroso immobile, subisce una transizione ad uno stato gommoso. Nello stato gommoso le molecole sono in grado di compiere movimenti relativi e come risultato si formano ponti gommosi tra particelle adiacenti. Il passaggio dallo stato vetroso a quello gommoso avviene ad una particolare temperatura chiamata temperatura di transizione vetrosa (T_g), che è peculiare per ciascun materiale amorfo ma può diminuire in funzione dell'acqua assorbita dal materiale. Inoltre, quando esposto a condizioni di ridotta umidità relativa o di temperatura, il materiale amorfo può risolidificare e i ponti liquidi appiccicosi vengono convertiti in solidi ponti.

Il caking basato sull’umidità si verifica invece quando la polvere viene esposta a condizioni che producono adsorbimento di umidità sulla superficie delle particelle. Se il materiale è solubile, come nel caso degli zuccheri cristallini, questo meccanismo può innescare deliquescenza e la formazione di ponti liquidi viscosi che danno un comportamento appiccicoso alla massa umida. Anche in questo caso se le condizioni ambientali si modificano, ad esempio con una riduzione di umidità relativa o un aumento della temperatura, i ponti liquidi possono cristallizzare formando solidi ponti. La stickiness di una polvere può essere descritta in termini di coesione (stickiness tra particella– particella) e adesione (stickiness tra particella–parete). La coesione è una proprietà interna di una polvere e misura la forza che tiene unite le particelle. Invece, l’adesione è una proprietà interfacciale ed è una misura delle forze che servono a mantenere attaccate le particelle alla superficie di un altro materiale.

Pertanto, il comportamento della stickiness può anche essere valutato aggiungendo picolissime quantità di acqua nella massa di zucchero che in seguito viene sottoposta ad un test con la cella di shear.